实时更新：人类首张黑洞照片公布！该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍

飘香一剑

更新：
天文学家捕获的首张黑洞照片公布
该黑洞图像揭示了室女座星系团中超大质量星系 Messier 87中心的黑洞。该黑洞距离地球5500万光年，质量为太阳的65亿倍。图中心的暗弱区域即为“黑洞阴影”

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人类首张黑洞照片，倒计时“冲洗”中，北京时间 4 月 10 日 21:00 整，将在全球六地同步发布。

届时，比利时布鲁塞尔、智利圣地亚哥、中国上海和台北、日本东京、美国华盛顿，将同时以英语、西班牙语、汉语、日语四种语言，宣布一项与超大质量黑洞照片有关的重大成果。


活在传说中的黑洞，终于要展露真容了。



（电影《星际穿越》中的黑洞）


黑洞到底有多神秘呢？


霍金在他人生中最后一本著作《十问》中曾经写道：据说事实有时候比小说更奇怪，黑洞最能真实地体现这一点，它比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪……

最初，黑洞只存在于牛顿万有引力定律和爱因斯坦广义相对论的公式和方程中。但它太奇特了，以至于最初预见它的人，都不相信它真的存在。



此后，黑洞的诡异、神秘，吸引了一代代科学家为之竞折腰。人们开始相信，即便我们无法“看到”它，但是它确凿地存在于无数科学观测数据之中。



模拟图 | 两个黑洞相互绕转合并产生引力波之声
“漆黑”的宇宙第一次向人类敞开了大门


2015年，人类第一次听到了两个黑洞相互绕转合并所产生的引力波之声。现在，也就是今天晚上，人类终将亲眼见证黑洞了。

黑洞为什么是“黑的”，既然是洞那么它有质量吗，黑洞是一种什么样的宇宙存在呢，为什么一张黑洞的照片，让全世界的科学家们如此激动……



嗯这么烧脑的问题，还是先来看看，中科院国家天文台研究员苟利军老师的答网友问吧


一
关于黑洞的速问速答

模拟图 | 黑洞


Q1. 黑洞到底长啥样？
苟利军：黑洞是一种质量极大的天体，具有非常强的引力，在它周围的一定区域内，连光也无法逃逸出去的球体。


Q2. 黑洞有多大？
苟利军：质量唯一确定了黑洞的大小。


Q3：为什么要拍黑洞的照片？

苟利军：在此之前，不管是从理论上，还是观测到的，都表明黑洞是存在的，但是这些都是间接的方式，现在通过这种拍摄的方式，真正的可以确认黑洞确实是存在。



（电影《星际穿越》，穿越黑洞）


Q4：黑洞到底有什么作用，会吞噬地球吗？
苟利军：黑洞对于普通人的生活没有直接影响，但是有一些物理学家认为，黑洞可以充当星际空间旅行通道的作用。


物理学家斯蒂芬·霍金曾说，在黑洞的最中心，是平行宇宙的另外一个入口。通过黑洞，可以快速到达在地球上看起来一个非常遥远的一个地方，或者另外一个平行宇宙。

以上的速问速答，还没能让你嚼出黑洞的黑与神秘吗？嗯那就来恶补一下，和黑洞史相关的科学家故事吧！




二
一起回顾，黑洞史


No.1 | “暗星”时代
最初预见黑洞的科学家并不相信它真存在


人类发现黑洞的历史，可以追溯到18世纪末。1783年，在万有引力定律提出100年之后，牛顿的校友约翰·米歇尔首次提出，可能存在比太阳更大的恒星，光都被这种恒星的引力拽回去，无法逃脱。


这位剑桥学监，给他想象中能够“吸光”的大恒星起了个名字，叫作“暗星”。






1795年，法国科学家皮埃尔·西蒙·拉普拉斯，在其著作《世界系统》中表达了类似的观点。


有趣的是，拉普拉斯在此书的第三版和以后的版本中，却绝口不提此事了，或许他自己都觉得这个想法过于荒诞，只能作为思想游戏，并不存在于现实之中。


随着拉普拉斯的沉默，关于“荒诞暗星”的想法也被忽略了，直到20世纪初。







No.2 | 预见黑洞
爱因斯坦方程的推理结果


1907年，德国哥廷根大学的数学教授闵可夫斯基，首次提出严密的四维时空几何结构，将一直以来被认为是独立的时间和空间，以几何的形式结合到一起，为广义相对论的建立提供了框架。


1915年，经常翘闵可夫斯基课的爱因斯坦，在狭义相对论和四维时空几何基础上，提出真正“预见”黑洞的广义相对论。







在科学院的演讲中，爱因斯坦讲述的观点颠覆了此前人类的宇宙观：我们栖息在一个名为“时空”的四维现实里，它随着物质能量的变化而发生着波动。


爱因斯坦将他的神奇创见，集中展示在几个核心方程中，即爱因斯坦场方程。通过这些方程，可以直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲，以至于连光都无法逸出。


No.3 | 丈量黑洞
史瓦西的天才贡献


由于算法原因，爱因斯坦场方程在最初发布时只有近似解，爱因斯坦本人对此也无能为力。


但是，公布后仅仅过了20天，爱因斯坦便收到一封来自德军东线阵地的来信。一位名叫卡尔·史瓦西的炮兵中尉，在炮火连天的一战前线，给出了这个方程的精确解。


和爱因斯坦一样，卡尔·史瓦西出生在一个德国犹太家庭。少年时，史瓦西便对天文学表现出极大的兴趣，甚至自己动手“攒”了台简易的天文望远镜。





此后，史瓦西的天才逐渐显露：15岁独立发表关于双星轨道的论文；23岁取得博士学位；28岁任格廷根大学教授和该校天文台台长；40岁当选德国科学院院士……


但是，就在史瓦西当选院士不久，一战爆发了。41岁的史瓦西加入了德国陆军。在大片焦土下的战壕里，史瓦西迎来了他学术生涯的又一巅峰。

史瓦西给爱因斯坦寄去两篇论文，第一篇正是对爱因斯坦场方程的精确解，而此解的一个结果便是理论上存在黑洞。第二篇论文，这位前线中尉，又给出了关于星体内部时空弯曲的精确计算。




在两篇硝烟弥漫的论文中，史瓦西提出，离致密天体或大质量天体的中心某一距离处，逃逸速度等于光速，即在此距离以内的任何物质和辐射都不能溢出。


后人将此距离称为史瓦西半径，并把上述天体周围史瓦西半径处的想象中的球面，叫作视界。

虽然离黑洞又进一大步，但无论是爱因斯坦还是史瓦西，他们都不相信黑洞真实存在。而残酷的战争也并没有给史瓦西，更多时间去理解自己的发现，在论文发布短短4个月后，史瓦西患上了一种免疫性皮肤病，英才早逝。




No.4 | 现代黑洞
从原子弹之父到发现引力波

1939 年 9 月 1 日，纳粹德国军队入侵波兰，二战爆发。就在同一天，美国物理学家罗伯特·奥本海默发表了第一篇关于黑洞的学术论文，这篇“持续引力收缩”成为探索黑洞历史上的又一关键点。


奥本海默在论文中预测，恒星在其自身引力场的影响下会持续收缩，从而形成一个具有强烈吸引力的物体，甚至连光都不会从中逃脱，这是现代黑洞概念的第一个版本。




随着战争升级，很多科学家都把方向转移到了原子核物理学。引力坍缩的问题被抛到九霄云外。到战争结束时，对宇宙的研究重新燃起。曾经被低估的广义相对论重新复兴，这对接受和理解黑洞至关重要。

随后，普林斯顿大学成为新一代研究相对论的中心。正是在那里，核物理学家约翰·惠勒，于1967年提出了“黑洞”这个名字。


黑洞的名称自此迅速流行起来，它象征了黑暗和神秘。从那时起，关于黑洞更多的新属性和类型纷纷被发现，直到2015年达到顶峰——首次探测到黑洞二元系统中产生的引力波，为黑洞的存在提供了第一个具体证据。




三
关于黑洞照片的“拍摄”


发现黑洞如此不易，那现在给它拍照岂能容易？嗯哼确实很不容易。比如，第一个问题，既然是黑洞，那就是看不见歪，咋观测呢？


黑洞自身不发光，所以科学家们绞尽脑汁“曲线救国”，采用间接方式来探测黑洞——比如观察吸积盘和喷流。

　　

恒星级黑洞系统示意图




在某些时候，恒星量级（3个太阳质量～100个太阳质量）的黑洞，会存在于一个恒星周围，将恒星的气体撕扯到它自己身边，产生一个围绕黑洞旋转的气体盘，即吸积盘。

当吸积气体过多，一部分气体在掉入黑洞视界面之前，在磁场的作用下被沿转动方向抛射出去，形成喷流。

吸积盘和喷流两种现象，都因气体摩擦而产生了明亮的光与大量辐射，所以很容易被科学家探测到，黑洞的藏身之处也就暴露了。

第二个问题，观测黑洞用一个天文望远镜就能搞定吗？呃…事实是，依靠目前任何单个望远镜都远远不够。


因此，在过去 10 多年时间里，麻省理工学院的科学家们联合了其它研究机构的科研人员，开展了激动人心的“事件视界望远镜”项目。本次观测黑洞，则是由全球多地的8个亚毫米射电望远镜，同时对黑洞展开观测。



望远镜在全球分布示意图，红点代表望远镜所在地



位于智利的阿塔卡马大型毫米波阵望远镜


此次观测目标主要有两个，一是银河系中心黑洞Sgr A*，二是位于星系M87中的黑洞。之所以选定这两个黑洞作为观测目标，是因为它们的视界面，在地球上看起来是最大的。



什么叫视界面呢？（史瓦西的理论为基础）嗯～黑洞的质量基本集中在最中心的“奇点”处，于是奇点周围形成了一个强大的引力场，在一定范围之内，连光线都无法逃脱。光线不能逃脱的临界半径被称为“视界面”——顾名思义就是视线所能到达的界面。





给黑洞拍照不容易，“洗照片”更是耗时漫长。因为，射电望远镜并不能直接“看到”黑洞，它们是收集大量关于黑洞的数据信息，用数据向科学家们描述出黑洞的样子。


而此次观测，所涉及的站点区域非常广阔，所产生的数据量将非常庞大（每晚产生数据量可达2000000 GB）。


如果说，引力波的探测，是“漆黑的宇宙第一次向人类敞开了大门，那么黑洞的处女照，将引领人类走向更深的宇宙。


天文学家们希望能够通过这一观测结果，对爱因斯坦的广义相对论做出最为严格的限制；与此同时，黑洞图像将帮助我们回答星系中的壮观喷流是如何产生并影响星系演化的。


至于普通人，虽然不懂那些玄奥的天文学理论，但是，咱们可将是第一批亲眼看到黑洞的地球人哦！生在这个时代，也是很幸运哒。




上图就是计算机模拟的黑洞图像啦
当然，这是科学家心目中的理想图景
黑洞处女照到底会是什么样子呢
今晚九点，一起感受宇宙的神奇吧来源：科普苏州